上海光源: 探索微觀世界的明燈

你知道巧克力為什么好吃嗎？這是因為巧克力中的可可油擁有6 種不同的晶體，而好吃的那種巧克力的晶體結(jié)構(gòu)非常獨特。那么， 怎樣才能探測巧克力的晶體結(jié)構(gòu)呢，這就需要用到同步光源。而上海光源正是提供這種同步光源的大型光學(xué)實驗室。

從億年前的琥珀古鳥羽毛結(jié)構(gòu)，到埃博拉病毒入侵機制、新冠病毒蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，再到外爾費米子世界重大物理實驗發(fā)現(xiàn)，上海光源為科學(xué)家探索微觀世界照亮了前行之路。

一座銀灰色建筑坐落在上海張江，占地20多萬平方米，外觀猶如一只巨型鸚鵡螺，宏偉壯觀，未來感十足，這里就是上海光源。

1993年，正值我國擬訂“九五”計劃之時，方守賢、丁大釗、冼鼎昌三位院士根據(jù)國際上的發(fā)展趨勢和我國科學(xué)研究的需求，提出了“在中國建立一臺第三代同步輻射光源”的建議。當(dāng)時的科學(xué)界均對于“造光”這件事萬分期待。經(jīng)過10多年的前期設(shè)計和預(yù)制研究，上海光源于2004年12月25日破土動工，2009年5月6日正式開放運行。

作為國之重器，大科學(xué)裝置耗資不菲，而且難以在短時間內(nèi)看到實際經(jīng)濟效益。那么，我國究竟為什么要投入巨大的財力、物力，去興建這樣一座巨大的光學(xué)工程呢？

上海光源“不見光”

從字面上看，“上海光源”似乎是一個與照明有關(guān)的工程，其實這一理解與它的實際意義南轅北轍。這里需要搬出“上海光源”的學(xué)名——上海同步輻射光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，簡寫為SSRF）來說一說。

電磁場理論早就預(yù)言：在真空中以接近光速運動的具有相對論效應(yīng)的帶電粒子，在二極磁場作用下偏轉(zhuǎn)時，會沿著偏轉(zhuǎn)軌道的切線方向，發(fā)射連續(xù)譜的電磁波。1947年，人類在同步加速器上首次觀測到了這種電磁波，所以將其命名為“同步輻射”“同步輻射光”，并稱產(chǎn)生和利用同步輻射光的裝置為“同步輻射裝置”“同步輻射光源”。

由此可見，上海光源并非用來制造我們?nèi)庋劭梢姷墓猓侵圃觳煌ㄩL的電磁波：從遠紅外線到硬X射線（X射線中波長較短的一種）。與可見光相比，這些看不見的光波長更短、能量更高，“照射”到樣品上時，會產(chǎn)生衍射、散射、折射、透射、吸收等現(xiàn)象，從而帶來超強的微觀洞察力?？茖W(xué)家正是借助這些現(xiàn)象，利用同步輻射光來探索未知世界。也因其一系列獨特而優(yōu)異的性能，同步輻射光被科學(xué)家稱為繼電光源、X 光源、激光光源之后，第4次為人類文明帶來革命性推動的新光源。

同步輻射光源根據(jù)加速器中電子的能量，可以分為低能、中能、高能三種。其中低能光源側(cè)重于功能研究，比如化學(xué)反應(yīng)、超導(dǎo)電性、磁性等；中、高能光源側(cè)重于結(jié)構(gòu)研究，可用于觀察單晶生長、蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、航空發(fā)動機單晶葉片的結(jié)構(gòu)缺陷等。

一直以來，我國都很重視同步輻射光源的發(fā)展建設(shè)，迄今已在大陸地區(qū)發(fā)展建設(shè)了三代同步輻射裝置（中國臺灣地區(qū)現(xiàn)有臺灣光源和臺灣光子源2臺同步輻射裝置，均為第三代光源）。第一代是以高能物理實驗為主的兼用光源，即1989年依托北京正負電子對撞機建成的北京同步輻射裝置；第二代是同步輻射專用光源，光源能量較低，即1990年建成的合肥光源；第三代也是同步輻射專用光源，光源能量更高，即2009年建成的上海光源。目前在世界范圍內(nèi)，第三代是同步輻射光源的主流，上海光源便是其中性能最好的光源之一。

微觀世界的探照燈

同步輻射光源，是一盞人類通向微觀世界的指路明燈。在上海張江的綠野上，這盞燈正在24小時運行，無數(shù)電子束以接近光的速度，在這座碩大的圓形裝置中疾馳，將一束束不同波長的高品質(zhì)同步輻射光，通過光束線最終照射在各個實驗站的樣品上。運用光與物質(zhì)相互作用的科學(xué)原理，科學(xué)家可以在分子和原子尺度上觀察微觀物質(zhì)世界。

無論是在科學(xué)界還是工業(yè)界，無論是在生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)、凝聚態(tài)物理、原子分子物理、團簇物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、地質(zhì)學(xué)等的前沿基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，還是在微電子、醫(yī)藥、石油、化工、生物工程、醫(yī)療診斷、微加工等的高技術(shù)開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域，上海光源都有著廣泛的應(yīng)用價值，是不可替代的先進實驗平臺。

舉例來說，人們用普通光源只能看到物體表面，X 射線強大的穿透力能夠探測物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，給人類的視野帶來革命性變化。但后來，生命科學(xué)邁入了分子水平，傳統(tǒng)的X光醫(yī)學(xué)成像毫米級的分辨率已不能滿足要求。上海光源成像站提供的靜態(tài)分辨率可達0.8微米——比1/1000毫米還小，足以在原子和分子的層次上研究物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無疑進一步開闊了醫(yī)學(xué)觀測的視野。

同步輻射光源的另一個顯著應(yīng)用前景是在微電子機械系統(tǒng)領(lǐng)域。在微細加工技術(shù)中，人們利用同步輻射X 射線深度光刻技術(shù)，已經(jīng)研制出微型傳感器、微型光電部件、微型馬達、微電子開關(guān)等。隨著集成電路的集成度越來越高，對尺寸在幾十納米及以下的集成電路，同步輻射光刻技術(shù)將可能成為最主要的光刻手段。

上海光源面向國內(nèi)外用戶開放，也促進了材料科學(xué)領(lǐng)域的研究。石墨烯的發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎之后，各國都在研究它的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在我國，依靠上海光源對石墨烯的研究，杭州已經(jīng)建成年產(chǎn)10噸的石墨烯生產(chǎn)基地。此外，上海光源在甲烷高效轉(zhuǎn)化，單原子催化，超級鋼、碳纖維等高性能材料的研究方面，幫助大量研究者解決了許多基本問題，促進了科學(xué)的進步和技術(shù)的應(yīng)用。

在環(huán)境科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)考古等諸多領(lǐng)域，我國科學(xué)家利用上海光源開展了多方面、有特色的研究工作，包括毒性元素與化合物在植物中的輸運過程與毒性機理、水污染治理中懸浮顆粒攜氧機制、心腦血管與腫瘤醫(yī)學(xué)成像、古生物胚胎化石分化研究等，有力地推動了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

如今，上海光源已經(jīng)開放試運行13年，為科技創(chuàng)新提供了難得的尖端研究手段，支撐我國科學(xué)家在諸多學(xué)科領(lǐng)域創(chuàng)新突破，在包括蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能、超導(dǎo)材料、石墨烯研究、水污染治理等多個重大國計民生領(lǐng)域貢獻力量，現(xiàn)已成為推動我國航空航天、生物醫(yī)藥、能源環(huán)境、新材料研究等領(lǐng)域開展世界前沿科技探索的重要引擎。

大材“小”用改變生活

以上這些聽起來似乎高深莫測，離普通百姓的生活很遙遠，其實不然。在世界范圍內(nèi)，同步輻射光源已給人們的生活帶來了諸多意想不到的變化，很多就發(fā)生在我們身邊的細微之處。

以巧克力為例，巧克力中的可可油擁有6種不同的晶體，而口感特別好的巧克力晶體結(jié)構(gòu)非常獨特。國際巧克力生產(chǎn)巨頭已能用同步輻射光源探測巧克力的晶體結(jié)構(gòu)，幫助生產(chǎn)更美味的巧克力。從這一點上來說，上海光源工程將給中國食品工業(yè)帶來新的發(fā)展視野。再比如音樂愛好者青睞的ipod等高端數(shù)字播放器，ipod磁盤中含有上千個微小的磁場，依靠同步加速器，才能生產(chǎn)出超小型的ipod、提供更多儲存音樂的空間。

在航空安全性方面，同步輻射光源也發(fā)揮著重要作用。金屬和巧克力一樣，也具有獨特的晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)金屬被腐蝕，其晶體結(jié)構(gòu)就發(fā)生了改變。通過同步輻射光源拍攝出執(zhí)行定期航線的飛機金屬中的晶體結(jié)構(gòu)，就能知道金屬是否已被腐蝕了，這樣就可以讓有安全隱患的飛機停止飛行。

在對抗病毒方面，上海光源能夠解析禽流感、埃博拉、寨卡和新冠等病毒的病毒結(jié)構(gòu)和入侵機理，在篩選抗病毒藥物與抗體，以及支持新冠疫苗研制等方面也取得了多項成果。

開放運行13年，用戶最多、用戶產(chǎn)出成果最多的大國重器

上海光源作為大科學(xué)設(shè)施， 面向基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、高新技術(shù)開發(fā)研究各領(lǐng)域的用戶開放。從2009年5月6日起，除去集中維護檢修期，上海光源每年向用戶供光4000～5000小時，是我國用戶最多、用戶產(chǎn)出成果最多的大科學(xué)裝置。所有用戶均可通過申請、審查、批準(zhǔn)程序獲得上海光源實驗機時。

上海光源科學(xué)中心主任、X射線自由電子激光試驗裝置項目首席科學(xué)家、中國科學(xué)院上海高等研究院副院長趙振堂在接受《國家科學(xué)評論》（National Science Review ，簡寫為NSR）雜志訪問時介紹，截至2021年年底，上海光源已服務(wù)來自全國各地3100多個研究組的34000多名用戶，其中一半左右來自高校，30% 左右來自科研機構(gòu)，13% 左右來自企業(yè)、7% 左右來自醫(yī)院。在中科院的所有院所中，大約80% 的研究所都有科研人員來上海光源做過實驗。從學(xué)科分布上看，生物學(xué)和生命科學(xué)的用戶占25% 左右，化學(xué)、材料、能源等領(lǐng)域的用戶也很多。這些用戶已在上海光源總計完成了15 000項課題研究，產(chǎn)出了許多科技成果。

上海光源開放的過程，同時也是培養(yǎng)國內(nèi)同步輻射生力軍的過程。在它的3萬多名用戶中，包括院士、9 7 3計劃首席科學(xué)家等杰出人才，以及大批優(yōu)秀中青年人才和大量青年學(xué)生。他們利用上海光源取得了令人矚目的成就：一項成果入選美國《科學(xué)》十大科學(xué)突破，一項成果入選歐洲《物理世界》十大科學(xué)突破，一項成果入選美國物理學(xué)會標(biāo)志性科研進展，一項成果入選美國化學(xué)會十大科研成果，9次入選年度中國科學(xué)十大進展，5次入選年度中國十大科技進展……

在此過程中，上海光源的后續(xù)建設(shè)也在不斷推進。從最初運行時的7條光束線發(fā)展為現(xiàn)在的23條束線、34個實驗站向用戶開放。預(yù)計到2025年，將會有35條束線、50個實驗站投入用戶實驗運行。從2022年開始的5～10年時間，將會是上海光源運行和成果產(chǎn)出的黃金時期。

質(zhì)量一流，速度少見，建設(shè)過程也是科研攻關(guān)過程

上海光源是極其復(fù)雜的大科學(xué)工程，包含眾多光學(xué)、電子學(xué)系統(tǒng)和先進技術(shù)，部件研制及系統(tǒng)集成難度極高，工程的設(shè)計、建設(shè)難度也不可謂不大。

中國科學(xué)院上海高等研究院黨委書記、副院長，中國工程院院士趙振堂參與了上海光源的預(yù)研、建設(shè)、開放運行和二期工程建設(shè)。2001年完成預(yù)研，2004年破土動工，2009年開放運行……上海光源工程的不同階段，趙振堂的團隊都面臨著不同難題：在投入和經(jīng)驗積累都不足的條件下，如何建成一座世界一流水平的同步輻射光源？有了光源后，作為公共性平臺設(shè)施，能不能保證國際先進水平的運行性能？

這樣一臺大型粒子加速器，一個集高科技、多專業(yè)、多門類的綜合性復(fù)雜系統(tǒng)，需要把世界先進的技術(shù)設(shè)備有機結(jié)合，勢必會帶來很大的集成創(chuàng)新難度?！白罾щy的地方，是要盡可能把先進的設(shè)計思想和技術(shù)融入設(shè)施建設(shè)方案中，還要對先進技術(shù)方案和性價比方面進行綜合選擇取舍，掌握裝置所需加工周期、材料和制造費用，使其在可控的時間、經(jīng)費內(nèi)完成?！壁w振堂這樣說。

為此，上海光源工程團隊進行了長期技術(shù)攻關(guān)探索。比如，光源的核心設(shè)備之一——真空內(nèi)波蕩器，此前國內(nèi)從未研制過，“我們把訂單下給了一家外國公司，誰料這家公司忽然提出要到2009年6月以后才能交貨”，中科院上海應(yīng)用物理研究所辦公室主任賀戰(zhàn)軍回憶，為了趕上工期，科研人員緊急啟動自主研發(fā)，僅用了11個月就研制成功國內(nèi)第一臺真空內(nèi)波蕩器，主要性能達到國際先進水平。

這樣的事例還有很多。在工程的實施過程中，科研人員需要不斷分析研判各種設(shè)備性能要達到的技術(shù)指標(biāo)，還要進行關(guān)鍵核心元器件的技術(shù)研發(fā)，先后攻克了加速器、光束線等眾多關(guān)鍵技術(shù)難題。事實證明，大科學(xué)工程建設(shè)的過程，也是集智攻關(guān)的過程。通過引進消化吸收和自主創(chuàng)新研制，上海光源的建設(shè)實現(xiàn)了科技實力和工業(yè)技術(shù)的高水平集成創(chuàng)新，取得了多項國際領(lǐng)先、國際先進、國內(nèi)首創(chuàng)的自主研制設(shè)備及其技術(shù)成果，自主研制的設(shè)備超過70%，在國際上同類第三代同步輻射光源中性價比最好。

最終，上海光源在52個月的時間內(nèi)完成了設(shè)備研制、工程建設(shè)和調(diào)試調(diào)束，順利投入試運行。工程科技委評價其“質(zhì)量一流，速度世界少見”。上海光源的建成，不僅表明我國在建設(shè)大科學(xué)工程實驗裝置方面，具備了高水平的自主創(chuàng)新和技術(shù)集成能力，已經(jīng)進入了國際先進行列，而且將直接帶動我國現(xiàn)代高性能加速器、先進電工技術(shù)、超高真空技術(shù)、高精密機械加工、X 射線光學(xué)、快電子學(xué)、超大系統(tǒng)自動控制技術(shù)以及高穩(wěn)定建筑等先進技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，并對我國的科技進步、經(jīng)濟發(fā)展、資源開發(fā)、環(huán)境保護、人口與健康等方面產(chǎn)生廣泛而深遠的影響。

居安思危不掉隊，立足國家長遠發(fā)展，面向世界科技前沿

上海光源如火如荼發(fā)展的同時，在世界范圍內(nèi)，同步輻射光源大科學(xué)裝置的建設(shè)依然勢頭不減，第四代同步輻射光源建設(shè)已經(jīng)開啟。面對新的機遇和挑戰(zhàn)，上海光源正進入“從單一裝置向集群發(fā)展”的新階段——在張江科學(xué)城，一個全球規(guī)模最大、種類最全、綜合能力最強的光子大科學(xué)設(shè)施集群正在加速形成。

與我國在北京懷柔、合肥、深圳等地正在建設(shè)的大科學(xué)設(shè)施集群相比，上海張江的集群有一個特點，就是科學(xué)設(shè)施之間有更緊密的內(nèi)在聯(lián)系——上海光源、超強超短激光裝置、軟X 射線自由電子激光裝置、硬X 射線自由電子激光裝置等，都是以光子為核心的不同領(lǐng)域的大規(guī)模設(shè)施，且設(shè)施之間互有補充。趙振堂表示，在將來，我們還希望把自由電子激光和同步輻射光源的技術(shù)結(jié)合起來，把上海光源升級為相干的同步輻射光源。也有人把這樣的光源稱“第五代光源”。

可以預(yù)見的是，張江科學(xué)城正在以世界三大光子科學(xué)中心為目標(biāo)，打造跨學(xué)科、綜合性、多功能的大科學(xué)研究平臺，一流設(shè)施和一流科學(xué)家將在這里碰撞出科技火花，產(chǎn)出更多重大創(chuàng)新成果。

本文內(nèi)容綜合自中華人百家號、上海同步輻射光源網(wǎng)、光明日報、國家科學(xué)評論、知識分子、上?？萍?、新華社、中國工程科技知識中心網(wǎng)、科學(xué)時報、浦東時報